一种立柱漂浮式海上风力发电系统的制作方法

1.本实用新型涉及海上风力发电技术领域，具体涉及一种立柱漂浮式海上风力发电系统。


背景技术：

2.漂浮式海上风电通过系泊系统与海床相连，受水深影响小，摆脱复杂海床地形及地质条件约束，适用范围广，可获得更多风能资源。作为未来深远海风能开发的主要形式之一，漂浮式海上风电发展潜力巨大。国际上漂浮式海上风电基础主要有立柱式spar、半潜式、张力腿式tlp等主要基础型式；其中立柱式spar具备无条件稳定性，运动性能优良，制造过程简单，低运营风险，但传统立柱式垂荡方向运动响应大，且由于结构又长又重，吃水较深，一般在80m以上，港口进出受限制，难以在国内得到推广应用。同时，为了满足海上风电竞价上网的政策需要，除走向深远海外，大风机的应用也是其必然选择。深远海大风机的应用不仅对风机基础有严格的要求，同时对风机塔筒的抗弯刚度也有重大挑战。
3.中国专利公开号cn106759454b公开了一种全潜分离式风机基础，其能够通过张紧线和悬链线固定于水下，与半潜式漂浮式风机基础相比，完全避免了基础受波浪荷载作用的影响，大大的减少了结构的动力响应，并大幅减小漂浮式风机的运动幅值，可以保证竖向与水平向稳定性，为风机系统提供稳定的基础形式。但是，该专利是通过在半潜式基础上增加了下部浮筒结构，只是起到了提供浮力的作用；对于深远海大风机的风机基础，其结构又长又重，其风机塔筒抗弯强度较弱，容易发生倾覆；另外，海上风机因潮差、浪花飞溅等问题，造成塔筒底部潮湿，需要另外设置一定高度的平台用于存放电气装置，较为不便和增加成本。
4.我国漂浮式海上风电发展仍处于样机示范阶段，且示范样机安装水深较浅、型式单一(均为半潜式)等特点，为了开发中国丰富的深远海风力资源，亟需设计一种适应中国海域、经济性强、综合性能优良的新型漂浮式海上风力发电系统。


技术实现要素：

5.本实用新型公提供了一种立柱漂浮式海上风力发电系统，不仅解决了传统立柱式漂浮式基础存在的水线面较小，纵摇和横摇值较大，影响发电效益以及存在建造、安装的局限的难题，还解决了深远海大风机塔筒存在抗弯刚度不够、抗倾覆能力不足的问题。
6.一种立柱漂浮式海上风力发电系统，包括风力发电机1、上部塔筒2、浮力舱3、系泊系统、底部塔筒51以及立柱式风机基础52，所述底部塔筒51与立柱式风机基础52的设计为一体化结构，所述一体化结构为钢包混凝土的圆柱体结构5，所述风力发电机1安装在上部塔筒2的顶部，所述上部塔筒2通过第一连接结构与底部塔筒51连接，所述浮力舱3通过第二连接结构与所述圆柱体结构5连接。
7.优选的，所述钢包混凝土的圆柱体结构5为实心的单层钢包混凝土的圆柱体结构或者为内置空腔的双层钢包混凝土的圆柱体结构，所述实心的单层钢包混凝土的圆柱体结
构设有外侧钢层511和灌注在外侧钢层511内的第一混凝土层512，所述内置空腔的双层钢包混凝土的圆柱体结构由外向内依次设有第一钢层521、第二混凝土层522、第二钢层523、空腔524。
8.优选的，所述第二连接结构为第一法兰6，所述浮力舱3由三个或三个以上变截面菱型结构组成，所述浮力舱3通过第一法兰6绕立柱式风机基础52上部呈花瓣式均匀分布设置，所述浮力舱3与立柱式风机基础52之间为可拆卸连接。
9.优选的，所述浮力舱3内部被划分成为若干个独立可调节水量的水密分舱31，每个所述水密分舱31可以单独灌注浮力水，所述浮力舱3左右两侧上表面分别活动连接有垂荡板7。
10.优选的，所述系泊系统由位于立柱式风机基础52底部的第一系泊结构41和设置在浮力舱3上的第二系泊结构组成。
11.优选的，所述第一系泊结构41为张紧式系泊结构，所述张紧式系泊结构包括有张紧式锚链411和固定锚412，所述张紧式锚链411一端连接在所述立柱式风机基础52最底部中心位置、另一端连接在固定锚412上；所述第二系泊结构由三组或三组以上布置在浮力舱3上的弹力索421和固定在弹力索421的锚链422组成，相邻两个浮力舱3之间都连接有一条弹力索421，所述弹力索421连接在浮力舱3底部往外侧的位置，每条所述弹力索421的中间位置连接有固定于海床的锚链422。
12.优选的，所述钢包混凝土的圆柱体结构5为变截面的圆柱体结构，所述圆柱体结构的底部塔筒51的截面小于立柱式风机基础52的截面，所述底部塔筒51设置有灌浆口。
13.优选的，所述第一连接结构为第二法兰8，所述上部塔筒2下端口与底部塔筒51上端口通过第二法兰8可拆卸连接，所述立柱式风机基础52为下大上小的结构。
14.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
15.1、本案实施例一的底部塔筒51和立柱式风机基础52采用一体化设计，形成一个整体的钢包混凝土的圆柱体结构5，能够实现整体结构重心下移，还能够避免桩身过长，从而获得较大的稳性高度，提高风机塔筒抗弯强度，避免抗倾覆能力不足的问题。而且通过该钢包混凝土的圆柱体结构5的设置，使得电气装置可以直接安装在底部塔筒51的上端，避免了因考虑潮差、浪花飞溅等因素造成的传统塔筒底部潮湿需要设置一定高度的内平台以存放电气装置的问题，且在一定程度上可以减少塔筒高度，提高了经济性。同时所述实心的单层钢包混凝土的圆柱体结构还能够减少用钢量。
16.2、本案所述第二连接结构为法兰的设置，便于三个或三个以上独立的浮力舱通过法兰与立柱式风机基础连接，有助于建造安装以及以便于后期任一浮力舱故障后的拆卸维修，避免传统漂浮式结构需要整体浮运至码头维修的缺点，大大节省了维护费用。所述浮力舱呈独特的花瓣式设计，以便于能够在保持风机基础稳性的前提下，还有助于后期安装施工并减少了整体结构用钢量。
17.3、所述若干个水密分舱的设置，便于其每个水密分舱可以单独灌注浮力水，进而可以有效地、灵活的控制结构吃水；所述浮力舱两侧上表面活动连接有垂荡板的设置，可以有效降低结构垂荡方向上的运动响应，且有较大的水线面，解决了传统立柱式风机基础水线面小、运动响应大等存在的问题，满足了深远海大功率风机的运行需求。
18.4、本案第二系泊结构的锚链连接在弹力索中间位置的设置，能够有效降低系泊点
位置，以获得较大的系泊复原力臂，避开了水线面处较大的波浪载荷。同时利用两两连接的弹力索的柔性和锚链的刚性组成的系泊系统具有更好的抗拉力，保障了系泊系统安全。
19.5、本案所述第一连接结构为第二法兰的设置，以便于上部塔筒与底部塔筒的安装、拆卸以及维修。所述立柱式风机基础为下大上小的结构的设置，以便于获得较大的稳性高度，确保结构拥有显著的水动力性能和抗风浪能力。由于“下大”的结构特点，通过上述钢包混凝土的应用增加了桩基的重量，降低了结构重心，在能够保证结构稳性安全的前提下，还可以避免传统柱式基础过长、吃水太深的缺点，克服了运输、安装需要深水码头的难题；同时还提高了立柱式结构的应用范围。
20.6、本案实施例二所述钢包混凝土的圆柱体结构5为内置空腔的双层钢包混凝土的圆柱体结构的设置，能够实现整体结构重心下移，还能够避免桩身过长，从而获得较大的稳性高度，同时还可以提高风机塔筒抗弯强度，避免抗倾覆能力不足的问题。并通过在双层钢之间填充混凝土的设置，使得电气装置可以直接安装在底部塔筒51的上端，避免了因考虑潮差、浪花飞溅等因素造成的传统塔筒底部潮湿需要设置一定高度的内平台以存放电气装置的问题，且在一定程度上可以减少塔筒高度，提高了经济性。而且通过其空腔524的设置，能够保留海缆、人员通道，以便于海缆的安装与人员的通行。
附图说明
21.图1是本案风力发电系统的立体结构示意图。
22.图2是本案隐藏了风力发电机和上部塔筒的俯视结构示意图。
23.图3是本案浮力舱的内部结构示意图。
24.图4是本案实施例一的实心的单层钢包混凝土的圆柱体结构的结构示意图。
25.图5是本案实施例二的内置空腔的双层钢包混凝土的圆柱体结构的结构示意图。
具体实施方式
26.以下通过实施例对本实用新型特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
27.实施例一
28.如图1至图4所示，一种立柱漂浮式海上风力发电系统，包括风力发电机1、上部塔筒2、浮力舱3、系泊系统、底部塔筒51以及立柱式风机基础52。所述底部塔筒51与立柱式风机基础52的设计为一体化结构，所述一体化结构为钢包混凝土的圆柱体结构5，所述风力发电机1安装在上部塔筒2的顶部，所述上部塔筒2通过第一连接结构与底部塔筒51连接，所述浮力舱3通过第二连接结构与所述圆柱体结构5连接。其中，所述钢包混凝土的圆柱体结构5为实心的单层钢包混凝土的圆柱体结构，所述实心的单层钢包混凝土的圆柱体结构设有外侧钢层511和灌注在外侧钢层511内的第一混凝土层512，该实心的单层钢包混凝土的圆柱体结构指其圆柱体结构外部为钢质结构，其圆柱体结构内部为混凝土结构；实际制作时，所述圆柱体内部通过一体化结构的底部塔筒51壁上的灌浆口填充高密度混凝土形成所述混凝土结构/第一混凝土层512。
29.如上所述，本案实施例一的底部塔筒51和立柱式风机基础52采用一体化设计，形成一个整体的钢包混凝土的圆柱体结构5，能够实现整体结构重心下移，还能够避免桩身过
长，从而获得较大的稳性高度，提高风机塔筒抗弯强度，避免抗倾覆能力不足的问题。而且通过该钢包混凝土的圆柱体结构5的设置，使得电气装置可以直接安装在底部塔筒51的上端，避免了因考虑潮差、浪花飞溅等因素造成的传统塔筒底部潮湿需要设置一定高度的内平台以存放电气装置的问题，且在一定程度上可以减少塔筒高度，提高了经济性。同时所述实心的单层钢包混凝土的圆柱体结构还能够减少用钢量。
30.如图1和图2所示，所述第二连接结构为第一法兰6，所述浮力舱3由三个或三个以上变截面菱型结构组成，所述浮力舱3通过第一法兰6绕立柱式风机基础52上部呈花瓣式均匀分布设置，所述浮力舱3与立柱式风机基础52之间为可拆卸连接。具体实施时，先将第一法兰6固定安装在底部塔筒51和立柱式风机基础52的分界处，所述浮力舱3再分别通过螺栓可拆卸连接在所述第一法兰6上，以使所述浮力舱3沿分界处环绕并呈花瓣式均匀分布。所述浮力舱3的数量也可以是三个以上的若干个，如四个、五个、六个等，若干个所述浮力舱3按一定形状排布可以提供稳定的浮力。
31.如上所述，所述第二连接结构为法兰的设置，便于三个或三个以上独立的浮力舱3通过法兰与立柱式风机基础52连接，有助于建造安装以及以便于后期任一浮力舱3故障后的拆卸维修，避免传统漂浮式结构需要整体浮运至码头维修的缺点，大大节省了维护费用。所述浮力舱3呈独特的花瓣式设计，以便于能够在保持风机基础稳性的前提下，还有助于后期安装施工并减少了整体结构用钢量。
32.如图2和图3所示，所述浮力舱3内部被划分成为若干个独立可调节水量的水密分舱31，每个水密分舱31可以单独灌注浮力水。所述浮力舱3左右两侧上表面分别活动连接有垂荡板7，该活动连接方式可以是铰链连接或销轴连接。具体实施时，垂荡板7沿所述浮力舱3水平方向外沿设置，所述垂荡板7为一薄板。
33.如上所述，所述若干个水密分舱31的设置，便于其每个水密分舱31可以单独灌注浮力水，进而可以有效地、灵活的控制结构吃水；所述浮力舱3两侧上表面活动连接有垂荡板7的设置，可以有效降低结构垂荡方向上的运动响应，且有较大的水线面，解决了传统立柱式风机基础水线面小、运动响应大等存在的问题，满足了深远海大功率风机的运行需求。
34.如图1和图2所示，具体实施时，所述系泊系统由位于立柱式风机基础52底部的第一系泊结构41和设置在浮力舱3上的第二系泊结构组成。所述第一系泊结构41为张紧式系泊结构，所述张紧式系泊结构包括有张紧式锚链411和固定锚412，所述张紧式锚链411一端连接在所述立柱式风机基础52最底部中心位置、另一端连接在固定锚412上。如此，通过张紧式系泊结构的弹性伸长提供回复力，固定锚412同时承受水平力和竖向力,保证风力发电系统的稳定性。
35.如图1和图2所示，具体实施时，所述第二系泊结构由多组布置在浮力舱3上的弹力索421和固定在弹力索421的锚链422组成，一条弹力索421和一条锚链422为一组，相邻两个浮力舱3之间连接有一条弹力索421，共设置有三条弹力索421，每条弹力索421的中间位置都连接有一条固定于海床的锚链422。具体实施时，每条弹力索421一端通过浮力舱3上的导缆孔32连接在浮力舱3底部往外侧的位置、另一端通过另一个浮力舱3上的导缆孔32连接在另一个浮力舱3底部往外侧的位置。实际应用时，弹力索421也可以根据浮力舱3的数量设置相应的数量，如四个浮力舱3则需要设置四条弹力索421，对应设置四条锚链422。
36.如上所述，通过本案第二系泊结构的锚链422连接在弹力索421中间位置的设置，
能够有效降低系泊点位置，以获得较大的系泊复原力臂，避开了水线面处较大的波浪载荷。同时利用两两连接的弹力索421的柔性和锚链422的刚性组成的系泊系统具有更好的抗拉力，保障了系泊系统安全。
37.由上所述，具体实施时，所述钢包混凝土的圆柱体结构5为变截面的圆柱体结构，所述圆柱体结构的底部塔筒51的截面小于立柱式风机基础52的截面，所述底部塔筒51设置有灌浆口。如此，以便于向圆柱体结构内部灌注混凝土。
38.如图1所示，所述第一连接结构为第二法兰8，所述上部塔筒2下端口与底部塔筒51上端口通过第二法兰8可拆卸连接，所述立柱式风机基础52为下大上小的结构。具体实施时，所述可拆卸连接可以为螺栓连接。
39.如上所述，所述所述第一连接结构为第二法兰8的设置，以便于上部塔筒2与底部塔筒51的安装、拆卸以及维修。所述立柱式风机基础52为下大上小的结构的设置，以便于获得较大的稳性高度，确保结构拥有显著的水动力性能和抗风浪能力。由于“下大”的结构特点，通过上述钢包混凝土的应用增加了桩基的重量，降低了结构重心，在能够保证结构稳性安全的前提下，还可以避免传统柱式基础过长、吃水太深的缺点，克服了运输、安装需要深水码头的难题；同时还提高了立柱式结构的应用范围；同时还提高了立柱式结构的应用范围。其中，稳性高度即船舶稳性，是指船舶在外力矩作用下偏离其初始平衡位置而倾斜，船舶具有抵抗外力并当外力矩消除后船舶还具有恢复原来平衡状态的能力。
40.实施例二
41.如图5所示，实施例二与实施例一的区别在于：实施例二所述的钢包混凝土的圆柱体结构为内置空腔的双层钢包混凝土的圆柱体结构，所述内置空腔的双层钢包混凝土的圆柱体结构由外向内依次设有第一钢层521、第二混凝土层522、第二钢层523、空腔524，所述第一钢层521即为圆柱体结构5的外壁，所述第二钢层523即为空腔壁，所述第二混凝土层522灌注在两层钢层之间。具体实施时，所述内置空腔的双层钢包混凝土的圆柱体结构为双层钢壁、内部中空的钢包混凝土的圆柱体结构5，其圆柱体双层钢壁之间为混凝土结构；实际制作时，所述圆柱体双层钢壁之间通过一体化结构底部塔筒51壁上的灌浆口填充高密度混凝土形成所述混凝土结构/第二混凝土层522。
42.如上所述，实施例二所述钢包混凝土的圆柱体结构5为内置空腔的双层钢包混凝土的圆柱体结构的设置，能够实现整体结构重心下移，还能够避免桩身过长，从而获得较大的稳性高度，同时还可以提高风机塔筒抗弯强度，避免抗倾覆能力不足的问题。并通过在双层钢之间填充混凝土的设置，使得电气装置可以直接安装在底部塔筒51的上端，避免了因考虑潮差、浪花飞溅等因素造成的传统塔筒底部潮湿需要设置一定高度的内平台以存放电气装置的问题，且在一定程度上可以减少塔筒高度，提高了经济性。而且通过其空腔524的设置，能够保留海缆、人员通道，以便于海缆的安装与人员的通行。
43.如上所述，本案保护的是一种立柱漂浮式海上风力发电系统，一切与本案相同或相近似的技术方案都应示为落入本案的保护范围内。

技术特征：
1.一种立柱漂浮式海上风力发电系统，包括风力发电机(1)、上部塔筒(2)、浮力舱(3)、系泊系统、底部塔筒(51)以及立柱式风机基础(52)，其特征在于所述底部塔筒(51)与立柱式风机基础(52)的设计为一体化结构，所述一体化结构为钢包混凝土的圆柱体结构(5)，所述风力发电机(1)安装在上部塔筒(2)的顶部，所述上部塔筒(2)通过第一连接结构与底部塔筒(51)连接，所述浮力舱(3)通过第二连接结构与所述圆柱体结构(5)连接。2.根据权利要求1所述的一种立柱漂浮式海上风力发电系统，其特征在于所述钢包混凝土的圆柱体结构(5)为实心的单层钢包混凝土的圆柱体结构或者为内置空腔的双层钢包混凝土的圆柱体结构，所述实心的单层钢包混凝土的圆柱体结构设有外侧钢层(511)和灌注在外侧钢层(511)内的第一混凝土层(512)，所述内置空腔的双层钢包混凝土的圆柱体结构由外向内依次设有第一钢层(521)、第二混凝土层(522)、第二钢层(523)、空腔(524)。3.根据权利要求1所述的一种立柱漂浮式海上风力发电系统，其特征在于所述第二连接结构为第一法兰(6)，所述浮力舱(3)由三个或三个以上变截面菱型结构组成，所述浮力舱(3)通过第一法兰(6)绕立柱式风机基础(52)上部呈花瓣式均匀分布设置，所述浮力舱(3)与立柱式风机基础(52)之间为可拆卸连接。4.根据权利要求3所述的一种立柱漂浮式海上风力发电系统，其特征在于所述浮力舱(3)内部被划分成为若干个独立可调节水量的水密分舱(31)，每个所述水密分舱(31)可以单独灌注浮力水，所述浮力舱(3)左右两侧上表面分别活动连接有垂荡板(7)。5.根据权利要求1所述的一种立柱漂浮式海上风力发电系统，其特征在于所述系泊系统由位于立柱式风机基础(52)底部的第一系泊结构(41)和设置在浮力舱(3)上的第二系泊结构组成。6.根据权利要求5所述的一种立柱漂浮式海上风力发电系统，其特征在于所述第一系泊结构(41)为张紧式系泊结构，所述张紧式系泊结构包括有张紧式锚链(411)和固定锚(412)，所述张紧式锚链(411)一端连接在所述立柱式风机基础(52)最底部中心位置、另一端连接在固定锚(412)上；所述第二系泊结构由三组或三组以上布置在浮力舱(3)上的弹力索(421)和固定在弹力索(421)的锚链(422)组成，相邻两个浮力舱(3)之间都连接有一条弹力索(421)，所述弹力索(421)连接在浮力舱(3)底部往外侧的位置，每条所述弹力索(421)的中间位置连接有固定于海床的锚链(422)。7.根据权利要求1或2所述的一种立柱漂浮式海上风力发电系统，其特征在于所述钢包混凝土的圆柱体结构(5)为变截面的圆柱体结构，所述圆柱体结构的底部塔筒(51)的截面小于立柱式风机基础(52)的截面，所述底部塔筒(51)设置有灌浆口。8.根据权利要求1所述的一种立柱漂浮式海上风力发电系统，其特征在于所述第一连接结构为第二法兰(8)，所述上部塔筒(2)下端口与底部塔筒(51)上端口通过第二法兰(8)可拆卸连接，所述立柱式风机基础(52)为下大上小的结构。

技术总结
本实用新型公开了一种立柱漂浮式海上风力发电系统，其底部塔筒和立柱式风机基础采用一体化设计，形成一个整体的钢包混凝土的圆柱体结构或者内置空腔的双层钢包混凝土的圆柱体结构，能够实现整体结构重心下移，避免了传统柱式基础过长、吃水太深的缺点，同时还可以提高风机塔筒抗弯强度，避免抗倾覆能力不足的问题。同时花瓣式设计布置的浮力舱，在保持风机基础稳性的前提下，还有助于后期安装施工并减少了整体结构用钢量。如此，解决了传统立柱式结构存在的缺陷，克服了运输、安装需要深水码头的难题；同时还提高了立柱式结构的应用范围。围。围。


技术研发人员：陈飞 朱代炼 许雪云 杨国锋
受保护的技术使用者：上海博强重工集团有限公司
技术研发日：2023.03.22
技术公布日：2023/8/5